mm-Wave Silicon Technology 60 GHz and Beyond

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mm-Wave Silicon Technology60 GHz and Beyond1 Introduction to mm-Wave Silicon Devices, Circuits, and Systems . . . . 1Ali M. Niknejad and Hossein Hashemi1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2 Whymm-Waves? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.3 The Birth of Silicon mm-Wave . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51.3.1 Why CMOS? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81.3.2 True Cost of Silicon mm-Wave . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101.4 Communication in the 60 GHz Band . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121.4.1 BeamForming . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131.5 Uniquemm-WaveApplications. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171.5.1 mm-Wave Spectrum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171.5.2 Automotive Radar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181.5.3 mm-Wave Imaging forMedicalApplications. . . . . . . . . . . 221.5.4 Collaborative DistributedMIMO. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231.6 Overview of Book. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242 Silicon Technologies to Address mm-Wave Solutions . . . . . . . . . . . . . . 25Andreia Cathelin and John J. Pekarik2.1 Why Silicon? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252.1.1 Performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262.1.2 Cost, Integration [3] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272.1.3 ManufacturingCapacity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272.2 Modern SiGe and CMOS Technology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282.2.1 Lithography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282.2.2 Low-K Dielectrics and CopperWiring . . . . . . . . . . . . . . . . 302.2.3 Mobility and Strain Engineering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302.2.4 Metal Gates &High-K Dielectrics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322.3 Active Devices on Recent Bulk and SOI Technologies. . . . . . . . . . . 322.3.1 Bipolar Devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332.3.2 CMOS devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 342.3.3 SOI CMOS devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 412.3.4 Current Density Scaling for CMOS and Bipolar Devices . 462.3.5 Comparison Between State-of-the-Art HBT and CMOSDevices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 462.4 Impact of the Back-End of Line onmm-WaveDesign . . . . . . . . . . . 492.5 Conclusion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 552.6 Acknowledgements: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 563 Design and Modeling of Active and Passive Devices . . . . . . . . . . . . . . . 59Ali M. Niknejad, Sohrab Emami, Chinh Doan, Babak Heydari, MounirBohsali3.1 Passive Devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 593.1.1 Transmission Lines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 593.1.2 Inductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 703.1.3 Capacitors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 723.1.4 Transformers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 753.1.5 Resonators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 773.2 Active Devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 793.2.1 Modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 793.2.2 Active Device Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 803.2.3 Small-SignalModel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 893.2.4 Large-SignalModel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 903.2.5 FET NoiseModel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 973.3 Conclusion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1074 Amplifiers and Mixers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109Ali M. Niknejad, Brian A. Floyd, Sohrab Emami, Babak Heydari, EhsanAdabi, Bagher Afshar4.1 60GHz Low-NoiseAmplifiers:What’s Different? . . . . . . . . . . . . . . 1094.1.1 Transistors Closer to Cutoff . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1094.1.2 SmallWavelengths . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1104.1.3 Parasitics at 60 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1114.2 Low-NoiseAmplifier Design Methodology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1114.2.1 Input Match Optimization for Noise and Power . . . . . . . . 1124.2.2 Transistor Noise Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1134.2.3 Common-Base vs. Common-Emitter . . . . . . . . . . . . . . . . . 1154.3 Low-NoiseAmplifier Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1174.3.1 Bipolar LNA (v1), Common-Base Input . . . . . . . . . . . . . . . 1174.3.2 Bipolar LNA (v2), Common-Emitter Input . . . . . . . . . . . . 1214.3.3 CMOS Common SourceAmplifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1224.3.4 CMOS CommonGateAmplifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1264.3.5 Differential PairAmplifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1274.3.6 Multi-Stage Amplifier Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1294.3.7 ATwo-Stage 30 GHzAmplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1354.4 Mixers and FrequencyTranslation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1374.4.1 Single TransistorMixers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1374.4.2 Dual GateMixers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1414.4.3 Gilbert CellMixers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1444.5 Examples of Integrated Front-Ends . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1474.5.1 CMOS 130nm 60 GHz Front-End . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1474.5.2 SiGe Transceiver Chipset . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1504.6 Conclusion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1565 Voltage-Controlled Oscillators and Frequency Dividers . . . . . . . . . . . . 159Jri Lee5.1 Considerations ofVCOs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1595.2 Cross-Coupled Oscillators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1625.3 Colpitts Oscillator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1695.4 Other Topologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1735.4.1 mm-Wave Oscillators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1745.4.2 Push-Push Oscillators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1765.4.3 Distributed Oscillators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1775.5 Considerations ofDividers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1785.6 Static Dividers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1805.7 Regenerative (Miller) Dividers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1835.8 Injection-LockedDividers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1875.9 Case Study . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1905.9.1 52-GHz LO Signal Generator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1915.9.2 60-GHz PLL in 0.15-μmGaAs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1925.9.3 A 75-GHz PLL in 90-nmCMOS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1996 PowerAmplifiers at 60GHz and Beyond . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201Ehsan Afshari and Abbas Komijani6.1 Motivation and Challenges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2016.2 Passive Components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2026.2.1 Substrate-Shielded CoplanarWaveguide Structure . . . . . . 2026.2.2 Characterization of the Substrate-Shielded CPWStructure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2046.2.3 Conductor-Backed Coplanar Waveguide as theTransmission Line Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2076.2.4 Wirebond and Pad Parasitic Effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2096.3 Power Transistors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2096.3.1 Single-Transistor Power Gain and Stability . . . . . . . . . . . . 2106.3.2 Stability of the Cascode Pair . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2126.3.3 Relationship of BreakdownVoltage and Cut-offFrequency. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2146.4 Power Combining Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2156.4.1 Basic Principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2156.4.2 DistributedActive Transformer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2166.4.3 Electrical Funnel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2206.4.4 Circuit Implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2286.5 Case Studies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2296.5.1 A 77GHz Amplifier for Automotive RADARApplication. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2306.5.2 A BroadbandAmplifier at 85GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2336.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2407 Integrated Beamforming Arrays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243Harish Krishnaswamy and Hossein Hashemi7.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2437.2 What is a PhasedArray? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2457.2.1 Case Study:A 60GHzWPAN Link Budget . . . . . . . . . . . . 2487.3 PhasedArrays versus TimedArrays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2497.4 Conventional PhasedArrayArchitectures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2537.4.1 RF Phase-shifting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2547.4.2 LO Phase-shifting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2637.4.3 DigitalArrays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2697.4.4 ComparativeView of the Conventional Architectures . . . . 2697.5 TheVPRO-PLL PhasedArrayArchitecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2717.5.1 VPRO Concept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2717.5.2 TransmitMode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2727.5.3 Receive Mode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2737.6 The Effect ofMismatch in PhasedArrays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2777.6.1 Beam-pointing Error . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2787.6.2 Sidelobe Rejection Ratio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2807.6.3 Implications onArray Packaging. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2817.6.4 Array Calibration. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2827.7 Quantization Error in PhasedArrays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2837.8 Multi-Beam Antenna Arrays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2857.9 Antenna Arrays and Multiple Input Multiple Output (MIMO)Transceivers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2907.10 Concluding Remarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297

waver412

Si 技术的
应该多关注

tougher

又有新書可以看了  謝謝分享 可以知道一些 mm wave的知識

lightship

thanks a lot

ehoward

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bisque

注册了这个帐号就是为了下载这本书，虽然有点无耻，不过感谢的心情不变。
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mmicxmj

真的想看看，但是没钱啊

mmicxmj

下了半本就没钱了，灌点水吧，

hakkinen22

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jansenchen

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